Geochemistry of transition, non-transition and rare-earth elements in the surficial sediments of continental shelf of Kerala and an annex to the Cochin estuarine system

The metals present in the surface sediments have high demand on a global perspective, and the main reservoir of these elements is believed to be the ocean floor. A lot of studies on metals are going on throughout the world for its quantification and exploitation. Even though, some preliminary attempts have been made in selected areas for the quantitative study of metals in the western continental shelf of India, no comprehensive work has been reported so far. The importance of this study also lies on the fact that there has not been a proper evaluation of the impact of the Great Tsunami of 2004 on the coastal areas of the south India. In View of this, an attempt has been made to address the seasonal distribution, behavior and mechanisms which control the deposition of metals in the sediments of the western continental shelf and Cochin Estuary, an annex to this coastal marine region.Surface sediment samples were collected seasonally from two subenvironemnts of southwest coast of India, (continental shelf of Kerala and Cochin estuarine system), to estimate the seasonal distribution and geochemical behavior of non-transition, transition, rare-earth elements, Th and U. Bottom water samples were also taken from each station, and analysed for temperature, salinity and dissolved oxygen, hence the response of redox sensitive elements to oxygen minimum zone can be addressed. In addition, other sedimentary parameters such as sand, silt, clay fractions, CaCO3 and organic carbon content were also estimated to evaluate the control factors on level of metals present in the sediment. The study used different environmental data analysis techniques to evaluate the distribution and behavior of elements during different seasons. This includes environmental parameters such as elemental normalisation, enrichment factor, element excess, cerium and europium anomalies and authigenic uranium.

Post Environmental Evaluation of the Rajjaprabha Dam in Thailand

This thesis Entitled Post-Environmental Evaluation of The Rajjaprabha Dam In Thailand. This post evaluation of environmental consequences of Rajjaprabha dam IS conducted ten years after its commencement. The Rajjaprabha dam project was planned and implemented as a multipurpose project, mainly for hydropower production, flood protection, fisheries, recreation and irrigation. The project includes the dam and reservoir with a 240 MW hydropower plant located about 90 km upstream from Surat Thani province, and irrigation systems covering the coastal plain in Surat Thani. The upstream storage reservoir (with about 5,639 mcm storage) and the hydropower plant had already been implemented. The first phase of irrigation system covers an area of 23,100 hectares. The second phase is envisaged to cover about 50,000 hectares. This study was conducted with the following objectives: (I) to assess all existing environmental resources and their values with the help of input-output analysis (2) to findout the beneficial impacts of the project (3) to evaluate the actual positive effects vis-a-vis the estimated effects before the project was implemented and (4) to identify all significant changes in relatives to the impacts previously assessed. The study area includes the Phum Duang river basin of about 4,668 km2 (placed on the areas that are upstream and downstream to the damsite), The duration of study is limited to 10 years after the dam has become operational i.e. from 1987-1997. The results of the study reveal that there is no significant changes in climatic and ground water resources, with respect to the study area inspte of the fact that the physical and chemical properties of the soil have slightly changed. Sedimentation in the reservoir does not have much effect on the function of the dam.

Development of Zero Water Exchange Shrimp Culture System Integrated With Bioremediation of Detritus and Ammonia- Nitrogen

Aquaculture is one of the fastest growing food sectors in the world. Amongst the various branches of aquaculture, shrimp culture has expanded rapidly across the globe because of its faster growth rate, short culture period, high export value and demand in the International market. Indian shrimp farming has experienced phenomenal development over the decades due to its excellent commercial viability. Farmers have adopted a number of innovative technologies to improve the production and to maximize the returns per unit area. The culture methods adopted can be classified in to extensive, modified extensive and semi intensive based on the management strategies adopted in terms of pond size, stocking density, feeding and environmental control. In all these systems water exchanges through the natural tidal effects, or pump fed either from creek or from estuaries is a common practice. In all the cases, the systems are prone to epizootics due to the pathogen introduction through the incoming water, either brought by vectors, reservoir hosts, infected tissue debris and free pathogens themselves. In this scenario, measures to prevent the introduction of pathogen have become a necessity to protect the crop from the onslaught of diseases as well as to prevent the discharge of waste water in to the culture environment.The present thesis deals with Standardization of bioremediation technology for zero water exchange shrimp culture system

An assessment of potential public health risk associated with the extended survival of indicator and pathogenic bacteria in freshwater lake sediments

Microcosm studies were performed to evaluate the survival of Escherichia coli, Salmonella paratyphi and Vibrio parahaemolyticus in water and sediment collected from the freshwater region of Vembanad Lake (9 35◦N 76 25◦E) along the south west coast of India. All three test microorganisms showed significantly (p < 0.01) higher survival in sediment compared to overlying water. The survival in different sediment types with different particle size and organic carbon content revealed that sediment with small particle size and high organic carbon content could enhance their extended survival (p < 0.05). The results indicate that sediments of the Lake could act as a reservoir of pathogenic bacteria and exhibit a potential health hazard from possible resuspension and subsequent ingestion during recreational activities. Therefore, the assessment of bacterial concentration in freshwater Lake sediments used for contact and non contact recreation has of considerable significance for the proper assessment of microbial pollution of the overlying water, and for the management and protection of related health risk at specific recreational sites. Besides, assessment of the bacterial concentration in sediments can be used as a relatively stable indicator of long term mean bacterial concentration in the water column above

Potential Exposure Risk Associated with the High Prevalence and Survival of Indicator and Pathogenic Bacteria in the Sediment of Vembanadu Lake, India

Prevalence of faecal coliform bacteria and the survival of Escherichia coli, Vibrio parahaemolyticus and Salmonella paratyphi were studied in the water and sediment from Vembanadu Lake in the presence and absence of protozoan predators. The density of faecal coliform bacteria ranged between mean MPN value 5080–9000/100 ml in water and 110,000–988,000/1 g in sediment (p <0.01), which was 110 times greater than in overlying water. The laboratory microcosm studies revealed that E. coli, V. parahaemolyticus and S. paratyphi showed significantly higher survival (p <0.05) potential in sediment than in overlying water both in the presence and absence of protozoan predators. The results indicate that Vembanadu Lake sediment constitutes a reservoir of pathogenic bacteria and exhibits potential health hazard from possible resuspension and subsequent ingestion during recreational activities. Therefore, assessment of bacterial concentration in freshwater lake sediments used for contact and non-contact recreation is of considerable significance for the proper assessment of microbial pollution of the overlying water and the management and protection of related health risk at specific recreational sites. In addition, assessment of the bacterial concentration in sediments can be used as a relatively stable indicator of long-term mean bacterial concentration in the water column above.

Fish traps in inland waters of north kerala

Result of the study on traditional traps in the inland waters of three northern districts viz, Kasargod, Kannur and Kozhikode in Kerala state during 2003-2004 is presented. Mainly six types of traps are found in operation. Chempally koode is a rectangular bamboo trap with" D" shape in cross section operated without bait in some rivers of Kannur and Kasargod. Bamboo screen barriers are almost completely replaced with durable HDPE net screen to make handling easy. Thottil vala is a unique aerial trap operated from the dam in Pazhassi reservoir during monsoon to catch big fishes jumping against flowing water.

Characterization and Pathogenicity of Vibrio cholerae and Vibrio vulnificus from Marine environments

The genus Vibrioof the family Vibrionaceae are Gram negative, oxidasepositive, rod- or curved- rodshaped facultative anaerobes, widespread in marine and estuarine environments. Vibrio species are opportunistic human pathogens responsible for diarrhoeal disease, gastroenteritis, septicaemia and wound infections and are also pathogens of aquatic organisms, causing infections to crustaceans, bivalves and fishes. In the present study, marine environmental samples like seafood and water and sediment samples from aquafarms and mangroves were screened for the presence of Vibrio species. Of the134 isolates obtained from the various samples, 45 were segregated to the genus Vibrio on the basis of phenotypic characterization.like Gram staining, oxidase test, MoF test and salinity tolerance. Partial 16S rDNA sequence analysis was utilized for species level identification of the isolates and the strains were identified as V. cholerae(N=21), V. vulnificus(N=18), V. parahaemolyticus(N=3), V. alginolyticus (N=2) and V. azureus (N=1). The genetic relatedness and variations among the 45 Vibrio isolates were elucidated based on 16S rDNA sequences. Phenotypic characterization of the isolates was based on their response to 12 biochemical tests namely Voges-Proskauers’s (VP test), arginine dihydrolase , tolerance to 3% NaCl test, ONPG test that detects β-galactosidase activity, and tests for utilization of citrate, ornithine, mannitol, arabinose, sucrose, glucose, salicin and cellobiose. The isolates exhibited diverse biochemical patterns, some specific for the species and others indicative of their environmental source.Antibiogram for the isolates was determined subsequent to testing their susceptibility to 12 antibiotics by the disc diffusion method. Varying degrees of resistance to gentamycin (2.22%), ampicillin(62.22%), nalidixic acid (4.44%), vancomycin (86.66), cefixime (17.77%), rifampicin (20%), tetracycline (42.22%) and chloramphenicol (2.22%) was exhibited. All the isolates were susceptible to streptomycin, co-trimoxazole, trimethoprim and azithromycin. Isolates from all the three marine environments exhibited multiple antibiotic resistance, with high MAR index value. The molecular typing methods such as ERIC PCR and BOX PCR revealed intraspecies relatedness and genetic heterogeneity within the environmental isolatesof V. cholerae and V. vulnificus. The 21 strains of V. choleraewere serogroupedas non O1/ non O139 by screening for the presence O1rfb and O139 rfb marker genes by PCR. The virulence/virulence associated genes namely ctxA, ctxB, ace, VPI, hlyA, ompU, rtxA, toxR, zot, nagst, tcpA, nin and nanwere screened in V. cholerae and V. vulnificusstrains.The V. vulnificusstrains were also screened for three species specific genes viz., cps, vvhand viu. In V. cholerae strains, the virulence associated genes like VPI, hlyA, rtxA, ompU and toxR were confirmed by PCR. All the isolates, except for strain BTOS6, harbored at least one or a combination of the tested genes and V. choleraestrain BTPR5 isolated from prawn hosted the highest number of virulence associated genes. Among the V. vulnificusstrains, only 3 virulence genes, VPI, toxR and cps, were confirmed out of the 16 tested and only 7 of the isolates had these genes in one or more combinations. Strain BTPS6 from aquafarm and strain BTVE4 from mangrove samples yielded positive amplification for the three genes. The toxRgene from 9 strains of V. choleraeand 3 strains of V. vulnificus were cloned and sequenced for phylogenetic analysis based on nucleotide and the amino acid sequences. Multiple sequence alignment of the nucleotide sequences and amino acid sequences of the environmental strains of V. choleraerevealed that the toxRgene in the environmental strains are 100% homologous to themselves and to the V. choleraetoxR gene sequence available in the Genbank database. The 3 strains of V. vulnificus displayed high nucleotide and amino acid sequence similarity among themselves and to the sequences of V. cholerae and V. harveyi obtained from the GenBank database, but exhibited only 72% homology to the sequences of its close relative V. vulnificus. Structure prediction of the ToxR protein of Vibrio cholerae strain BTMA5 was by PHYRE2 software. The deduced amino acid sequence showed maximum resemblance with the structure of DNA-binding domain of response regulator2 from Escherichia coli k-12 Template based homology modelling in PHYRE2 successfully modelled the predicted protein and its secondary structure based on protein data bank (PDB) template c3zq7A. The pathogenicity studies were performed using the nematode Caenorhabditiselegansas a model system. The assessment of pathogenicity of environmental strain of V. choleraewas conducted with E. coli strain OP50 as the food source in control plates, environmental V. cholerae strain BTOS6, negative for all tested virulence genes, to check for the suitability of Vibrio sp. as a food source for the nematode;V. cholerae Co 366 ElTor, a clinical pathogenic strain and V. cholerae strain BTPR5 from seafood (Prawn) and positive for the tested virulence genes like VPI, hlyA, ompU,rtxA and toxR. It was found that V. cholerae strain BTOS6 could serve as a food source in place of E. coli strain OP50 but behavioral aberrations like sluggish movement and lawn avoidance and morphological abnormalities like pharyngeal and intestinal distensions and bagging were exhibited by the worms fed on V. cholerae Co 366 ElTor strain and environmental BTPR5 indicating their pathogenicity to the nematode. Assessment of pathogenicity of the environmental strains of V. vulnificus was performed with V. vulnificus strain BTPS6 which tested positive for 3 virulence genes, namely, cps, toxRand VPI, and V. vulnificus strain BTMM7 that did not possess any of the tested virulence genes. A reduction was observed in the life span of worms fed on environmental strain of V. vulnificusBTMM7 rather than on the ordinary laboratory food source, E. coli OP50. Behavioral abnormalities like sluggish movement, lawn avoidance and bagging were also observed in the worms fed with strain BTPS6, but the pharynx and the intestine were intact. The presence of multi drug resistant environmental Vibrio strainsthat constitute a major reservoir of diverse virulence genes are to be dealt with caution as they play a decisive role in pathogenicity and horizontal gene transfer in the marine environments.

Molecular Epidemiology of Escherichia coli isolates from Environmental, Food and Clinical Sources

In the present study diversity of E. coli in the water samples of Cochin estuary were studied for a period of 3 years ranging from January 2010- December 2012. The stations were selected based on the closeness to satellite townships and waste input. Two of the stations (Chitoor and Thevara) were fixed upstream, two in the central part of the estuary namely Bolgatty and Off Marine Science Jetty, and one at the Barmouth. Diversity was assessed in terms of serotypes, phylogenetic groups and genotypes. Two groups of seafood samples such as fish and shellfish collected from the Cochin estuary were used for isolation of E. coli. One hundred clinical E. coli isolates were collected from one public health centre, one hospital and five medical labs in and around Cochin City, Kerala. From our results it was clear that pathogen cycling is occurring through food, water and clinical sources. Pathogen cycling through food is very common and fish and shellfish that harbour these strains might pose potential health risk to consumer. Estuarine environment is a melting pot for various kinds of wastes, both organic and inorganic. Mixing up of waste water from various sources such as domestic, industries, hospitals and sewage released into these water bodies resulting in the co-existence of E. coli from various sources thus offering a conducive environment for horizontal gene transfer. Opportunistic pathogens might acquire genes for drug resistance and virulence turning them to potential pathogens. Prevalence of ExPEC in the Cochin estuary, pose threat to people who use this water for fishing and recreation. Food chain also plays an important role in the transit of virulence genes from the environments to the human. Antibiotic resistant E. coli are widespread in estuarine water, seafood and clinical samples, for reasons well known such as indiscriminate use of antibiotics in animal production systems, aquaculture and human medicine. Since the waste water from these sources entering the estuary provides selection pressure to drug resistant mutants in the environment. It is high time that the authorities concerned should put systems in place for monitoring and enforcement to curb such activities. Microbial contamination can limit people’s enjoyment of coastal waters for contact recreation or shellfish-gathering. E. coli can make people sick if they are present in high levels in water used for contact recreation or shellfish gathering. When feeding, shellfish can filter large volumes of seawater, so any microorganisms present in the water become accumulated and concentrated in the shellfish flesh. If E. coli contaminated shellfish are consumed the impact to human health includes gastroenteritis, urinary tract infections (UTIs), and bacteraemia. In conclusion, the high prevalence of various pathogenic serotypes and phylogenetic groups, multidrug-resistance, and virulence factor genes detected among E. coli isolates from stations close to Cochin city is a matter of concern, since there is a large reservoir of antibiotic resistance genes and virulence traits within the community, and that the resistance genes and plasmid-encoded genes for virulence were easily transferable to other strains. Given the severity of the clinical manifestations of the disease in humans and the inability and/or the potential risks of antibiotic administration for treatment, it appears that the most direct and effective measure towards prevention of STEC and ExPEC infections in humans and ensuring public health may be considered as a priority.

Differential induction, isolation, physicochemical and molecular characterization of temperate phages of environmental Vibrio cholerae as evidence of phage mediated Horizontal Gene Transfer

The resurgence of the enteric pathogen Vibrio cholerae, the causative organism of epidemic cholera, remains a major health problem in many developing countries like India. The southern Indian state of Kerala is endemic to cholera. The outbreaks of cholera follow a seasonal pattern in regions of endemicity. Marine aquaculture settings and mangrove environments of Kerala serve as reservoirs for V. cholerae. The non-O1/non-O139 environmental isolates of V. cholerae with incomplete ‘virulence casette’ are to be dealt with caution as they constitute a major reservoir of diverse virulence genes in the marine environment and play a crucial role in pathogenicity and horizontal gene transfer. The genes coding cholera toxin are borne on, and can be infectiously transmitted by CTXΦ, a filamentous lysogenic vibriophages. Temperate phages can provide crucial virulence and fitness factors affecting cell metabolism, bacterial adhesion, colonization, immunity, antibiotic resistance and serum resistance. The present study was an attempt to screen the marine environments like aquafarms and mangroves of coastal areas of Alappuzha and Cochin, Kerala for the presence of lysogenic V. cholerae, to study their pathogenicity and also gene transfer potential. Phenotypic and molecular methods were used for identification of isolates as V. cholerae. The thirty one isolates which were Gram negative, oxidase positive, fermentative, with or without gas production on MOF media and which showed yellow coloured colonies on TCBS (Thiosulfate Citrate Bile salt Sucrose) agar were segregated as vibrios. Twenty two environmental V. cholerae strains of both O1 and non- O1/non-O139 serogroups on induction with mitomycin C showed the presence of lysogenic phages. They produced characteristic turbid plaques in double agar overlay assay using the indicator strain V. cholerae El Tor MAK 757. PCR based molecular typing with primers targeting specific conserved sequences in the bacterial genome, demonstrated genetic diversity among these lysogen containing non-O1 V. cholerae . Polymerase chain reaction was also employed as a rapid screening method to verify the presence of 9 virulence genes namely, ctxA, ctxB, ace, hlyA, toxR, zot,tcpA, ninT and nanH, using gene specific primers. The presence of tcpA gene in ALPVC3 was alarming, as it indicates the possibility of an epidemic by accepting the cholera. Differential induction studies used ΦALPVC3, ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14, underlining the possibility of prophage induction in natural ecosystems, due to abiotic factors like antibiotics, pollutants, temperature and UV. The efficiency of induction of prophages varied considerably in response to the different induction agents. The growth curve of lysogenic V. cholerae used in the study drastically varied in the presence of strong prophage inducers like antibiotics and UV. Bacterial cell lysis was directly proportional to increase in phage number due to induction. Morphological characterization of vibriophages by Transmission Electron Microscopy revealed hexagonal heads for all the four phages. Vibriophage ΦALPVC3 exhibited isometric and contractile tails characteristic of family Myoviridae, while phages ΦALPVC11 and ΦALPVC12 demonstrated the typical hexagonal head and non-contractile tail of family Siphoviridae. ΦEKM14, the podophage was distinguished by short non-contractile tail and icosahedral head. This work demonstrated that environmental parameters can influence the viability and cell adsorption rates of V. cholerae phages. Adsorption studies showed 100% adsorption of ΦALPVC3 ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14 after 25, 30, 40 and 35 minutes respectively. Exposure to high temperatures ranging from 50ºC to 100ºC drastically reduced phage viability. The optimum concentration of NaCl required for survival of vibriophages except ΦEKM14 was 0.5 M and that for ΦEKM14 was 1M NaCl. Survival of phage particles was maximum at pH 7-8. V. cholerae is assumed to have existed long before their human host and so the pathogenic clones may have evolved from aquatic forms which later colonized the human intestine by progressive acquisition of genes. This is supported by the fact that the vast majority of V. cholerae strains are still part of the natural aquatic environment. CTXΦ has played a critical role in the evolution of the pathogenicity of V. cholerae as it can transmit the ctxAB gene. The unusual transformation of V. cholerae strains associated with epidemics and the emergence of V. cholera O139 demonstrates the evolutionary success of the organism in attaining greater fitness. Genetic changes in pathogenic V. cholerae constitute a natural process for developing immunity within an endemically infected population. The alternative hosts and lysogenic environmental V. cholerae strains may potentially act as cofactors in promoting cholera phage ‘‘blooms’’ within aquatic environments, thereby influencing transmission of phage sensitive, pathogenic V. cholerae strains by aquatic vehicles. Differential induction of the phages is a clear indication of the impact of environmental pollution and global changes on phage induction. The development of molecular biology techniques offered an accessible gateway for investigating the molecular events leading to genetic diversity in the marine environment. Using nucleic acids as targets, the methods of fingerprinting like ERIC PCR and BOX PCR, revealed that the marine environment harbours potentially pathogenic group of bacteria with genetic diversity. The distribution of virulence associated genes in the environmental isolates of V. cholerae provides tangible material for further investigation. Nucleotide and protein sequence analysis alongwith protein structure prediction aids in better understanding of the variation inalleles of same gene in different ecological niche and its impact on the protein structure for attaining greater fitness of pathogens. The evidences of the co-evolution of virulence genes in toxigenic V. cholerae O1 from different lineages of environmental non-O1 strains is alarming. Transduction studies would indicate that the phenomenon of acquisition of these virulence genes by lateral gene transfer, although rare, is not quite uncommon amongst non-O1/non-O139 V. cholerae and it has a key role in diversification. All these considerations justify the need for an integrated approach towards the development of an effective surveillance system to monitor evolution of V. cholerae strains with epidemic potential. Results presented in this study, if considered together with the mechanism proposed as above, would strongly suggest that the bacteriophage also intervenes as a variable in shaping the cholera bacterium, which cannot be ignored and hinting at imminent future epidemics.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Das Einzugsgebiet der Fulda - Untersuchung der Methoden der Hochwasserstatistik im Zeichen des Klimawandels

Numerous studies have proven an effect of a probable climate change on the hydrosphere’s different subsystems. In the 21st century global and regional redistribution of water has to be expected and it is very likely that extreme weather phenomenon will occur more frequently. From a global view the flood situation will exacerbate. In contrast to these discoveries the classical approach of flood frequency analysis provides terms like “mean flood recurrence interval”. But for this analysis to be valid there is a need for the precondition of stationary distribution parameters which implies that the flood frequencies are constant in time. Newer approaches take into account extreme value distributions with time-dependent parameters. But the latter implies a discard of the mentioned old terminology that has been used up-to-date in engineering hydrology. On the regional scale climate change affects the hydrosphere in various ways. So, the question appears to be whether in central Europe the classical approach of flood frequency analysis is not usable anymore and whether the traditional terminology should be renewed. In the present case study hydro-meteorological time series of the Fulda catchment area (6930 km²), upstream of the gauging station Bonaforth, are analyzed for the time period 1960 to 2100. At first a distributed catchment area model (SWAT2005) is build up, calibrated and finally validated. The Edertal reservoir is regulated as well by a feedback control of the catchments output in case of low water. Due to this intricacy a special modeling strategy has been necessary: The study area is divided into three SWAT basin models and an additional physically-based reservoir model is developed. To further improve the streamflow predictions of the SWAT model, a correction by an artificial neural network (ANN) has been tested successfully which opens a new way to improve hydrological models. With this extension the calibration and validation of the SWAT model for the Fulda catchment area is improved significantly. After calibration of the model for the past 20th century observed streamflow, the SWAT model is driven by high resolution climate data of the regional model REMO using the IPCC scenarios A1B, A2, and B1, to generate future runoff time series for the 21th century for the various sub-basins in the study area. In a second step flood time series HQ(a) are derived from the 21st century runoff time series (scenarios A1B, A2, and B1). Then these flood projections are extensively tested with regard to stationarity, homogeneity and statistical independence. All these tests indicate that the SWAT-predicted 21st-century trends in the flood regime are not significant. Within the projected time the members of the flood time series are proven to be stationary and independent events. Hence, the classical stationary approach of flood frequency analysis can still be used within the Fulda catchment area, notwithstanding the fact that some regional climate change has been predicted using the IPCC scenarios. It should be noted, however, that the present results are not transferable to other catchment areas. Finally a new method is presented that enables the calculation of extreme flood statistics, even if the flood time series is non-stationary and also if the latter exhibits short- and longterm persistence. This method, which is called Flood Series Maximum Analysis here, enables the calculation of maximum design floods for a given risk- or safety level and time period.